Circuitos integrados: o que são, diferenças com os impressos e mais

Os circuitos integrados, chips, microchips, IC (Circuito Integrado) ou CI (Circuito Integrado), ou como você quiser chamá-los, são um tipo de circuitos eletrônicos que possibilitaram o avanço da tecnologia aos níveis atuais. Sem esta invenção, a computação e as telecomunicações provavelmente não seriam o que são, e os dispositivos eletrônicos e elétricos seriam muito diferentes.

Apesar de seu pequeno tamanho, e de estarem em toda parte, esses circuitos integrados escondem grandes surpresas para descobrir. Aqui você pode aprender muito mais sobre esses componentes eletrônicos...

O que são circuitos integrados?

Os circuitos integrados são almofadas de um semicondutor encapsulado e contendo um circuito eletrônico gravado. Dependendo da família lógica a que pertencem, esses circuitos serão compostos por diferentes componentes eletrônicos miniaturizados. Por exemplo, eles podem ser diodos, transistores, resistores, capacitores, etc.

Graças a eles foi possível desenvolver eletrônica moderna e iniciar uma nova era dada a grande integração que permitem. Na verdade, alguns dos chips mais avançados de hoje podem integrar até bilhões de transistores em uma matriz de apenas alguns milímetros quadrados.

História das fichas

No início, a eletrônica começou a usar válvulas de vácuo semelhante às lâmpadas convencionais. Essas válvulas eram grandes, muito ineficientes, esquentavam bastante e quebravam com facilidade, então foi necessário substituir as que estavam queimadas para que os computadores e outros equipamentos que as possuíam continuassem funcionando.

En 1947 viria a invenção do transistor, uma peça que substituiria as válvulas antigas e que também revolucionaria a eletrônica. Graças a ele, foi possível ter um dispositivo de estado sólido, muito mais resistente, eficiente e mais rápido que as válvulas. No entanto, alguns pensaram que poderiam integrar vários desses elementos em um único chip de silício. Foi assim que surgiram os primeiros circuitos integrados da história.

Com o tempo, a eletrônica de estado sólido evoluiu e reduziu o tamanho dos componentes, além de diminuir os custos. No final da década de 50, um inventor da Texas Instruments chamado Jack Kilby, ocorreu-lhe criar um chip semicondutor e alguma fiação que entrelaçasse as diferentes partes. Este se tornou o primeiro chip da história, e ele viria a ganhar o Prêmio Nobel por isso.

Quase em paralelo, Robert NoyceNa época, funcionário da Fairchild Semiconductor (mais tarde um dos fundadores da Intel), ele também desenvolveu um dispositivo semelhante, mas com grandes vantagens em relação ao Kilby's. Noyce havia criado a ideia que daria lugar aos circuitos integrados de hoje. Essa tecnologia era chamada de planar e tinha vantagens sobre a tecnologia mesa de Kilby.

Desde então não parou evolução e aperfeiçoamento desses componentes. Os custos despencaram, assim como a economia de combustível e o tamanho, enquanto o desempenho e o desempenho melhoraram drasticamente. Nenhum outro setor evoluiu tanto, e nenhum outro setor teve um impacto tão grande na humanidade...

Como eles são feitos?

O procedimento de fabricação de circuitos integrados é extremamente complexo. No entanto, como visto no vídeo, ele pode ser resumido em alguns passos mais simples para que as pessoas possam entender como eles são feitos.

Aqui eu vou tentar resumir as etapas do projeto o melhor possível, sem ir muito fundo, pois daria para milhares de artigos:

Faça parte de uma necessidade, um aplicativo para o qual você precisa criar um circuito eletrônico. Uma equipe de design é responsável por traçar as características e especificações que o chip deve ter. Então, o projeto começará usando portas lógicas e outros elementos de memória, etc., até que seja alcançado um projeto lógico que desenvolva a função para a qual esse chip foi projetado. Depois disso, ele passará por uma série de etapas entre as quais são realizados testes e simulações para determinar se funciona corretamente em um nível lógico, e até chips de teste são fabricados para ver se o fazem fisicamente. Uma vez concluída a etapa de projeto, uma série de máscaras para fabricação são criadas a partir do layout do circuito projetado. Um padrão é gravado neles para que possa ser gravado no silício. Este padrão é usado pela fundição ou fábrica, para criar os circuitos integrados em uma pastilha semicondutora. Esses wafers geralmente contêm até 200 ou 300 chips em alguns casos.

Isso é até a fase de projeto, desde o lado da fabricaçãonós temos:

O mineral de silício é obtido a partir de areia ou quartzo. Uma vez refinado para ser ultrapuro, ou EGS (Electronic-Grade Silicon), com um nível de pureza superior ao silício utilizado em outras indústrias. Este EGS chega em forma de peças à fundição, onde é fundido em um cadinho e através de um cristal de semente é feito crescer pelo método de Czochralski. Para que fique fácil de entender, é parecido com como é feito o típico algodão doce em feiras, você introduz o bastão (cristal de semente) e o bastão de algodão (silício fundido) e aumenta de volume. Ao final dessa etapa, o resultado é um lingote, um grande pedaço de cristal de silício monocristalino em forma de cilindro. Esta barra é cortada em wafers muito finos. Esses wafers passam por uma série de processos para polir a superfície para que permaneçam não poluídos para o início da produção. Depois, esses wafers passarão por vários processos repetitivos para criar os chips neles. Esses processos são do tipo físico-químico, como fotolitografia, gravura ou gravura, crescimento epitaxial, oxidação, implantação iônica, etc. A ideia final é criar componentes eletrônicos, geralmente transistores, no substrato wafer, e então adicionar camadas para interligar esses componentes para formar portas lógicas na camada mais baixa, então nas camadas seguintes essas portas são conectadas para formar unidades elementares (somadores, registradores, ...), nas camadas seguintes unidades funcionais (memória, ALU, FPU, ...), e finalmente todos são interconectados para criar o circuito completo, por exemplo, uma CPU. Em um chip avançado, pode haver até 20 camadas. Após todos esses processos, que podem levar vários meses para serem concluídos, centenas de circuitos iguais serão obtidos para cada wafer. A próxima coisa é testá-los e cortá-los, ou seja, dividi-los em chips de silício individuais. Agora que eles estão soltos, passamos a encapsular (DIP, SOIC, PGA, QFP, ...) onde o chip está protegido e os pads estão conectados, que são pistas condutoras na superfície, com os pinos do circuito integrado .

Obviamente nem todos os circuitos integrados são iguais. Aqui eu falei sobre unidades funcionais e coisas mais complexas como uma CPU, mas também existem circuitos muito simples como um temporizador 555 ou um IC com 4 portas lógicas que são extremamente simples. Terão apenas algumas dezenas de componentes e estarão ligados a uma ou algumas camadas de interconexões metálicas...

Tipos de CI

Não existe apenas um tipo, mas vários tipos de circuitos integrados. Os mais proeminentes que você pode encontrar são:

Circuitos integrados digitais : eles são bastante populares e usados ​​em muitos dispositivos modernos, desde computadores a dispositivos móveis, Smart TVs, etc. Caracterizam-se por trabalhar com base no sistema digital, ou seja, com 0 e 1, sendo 0 um sinal de baixa tensão e 1 um sinal de alta. É assim que eles codificam informações e operam. Exemplos podem ser PLCs, FPGAs, memórias, CPU, GPU, MCU, etc.

: eles são bastante populares e usados ​​em muitos dispositivos modernos, desde computadores a dispositivos móveis, Smart TVs, etc. Caracterizam-se por trabalhar com base no sistema digital, ou seja, com 0 e 1, sendo 0 um sinal de baixa tensão e 1 um sinal de alta. É assim que eles codificam informações e operam. Exemplos podem ser PLCs, FPGAs, memórias, CPU, GPU, MCU, etc. Analógico : em vez de serem baseados em sinais binários, neste caso são sinais contínuos variáveis ​​de tensão. Graças a isso, eles podem realizar tarefas como filtragem, expansão de sinal, demodulação, modulação, etc. É claro que muitos sistemas funcionam com circuitos analógicos e digitais, fazendo uso de Conversores AD/DA. Eles podem ser divididos em dois grandes grupos, circuitos integrados lineares e radiofrequência (RF). Exemplos podem ser um chip para filtragem de áudio, amplificadores de som, sistemas de emissão ou recepção de ondas eletromagnéticas, sensores, etc.

: em vez de serem baseados em sinais binários, neste caso são sinais contínuos variáveis ​​de tensão. Graças a isso, eles podem realizar tarefas como filtragem, expansão de sinal, demodulação, modulação, etc. É claro que muitos sistemas funcionam com circuitos analógicos e digitais, fazendo uso de Conversores AD/DA. Eles podem ser divididos em dois grandes grupos, circuitos integrados lineares e radiofrequência (RF). Exemplos podem ser um chip para filtragem de áudio, amplificadores de som, sistemas de emissão ou recepção de ondas eletromagnéticas, sensores, etc. CIs de sinal misto: como o nome sugere, eles são uma mistura de ambos. Alguns exemplos podem ser os próprios conversores analógico-digital ou digital-analógico, certos chips para relógios, temporizadores, codificadores/decodificadores, etc.

Diferenças com circuitos impressos

Circuitos integrados não devem ser confundidos com circuitos impressos. Ambos são coisas diferentes. Enquanto os primeiros se referem a microchips, como você viu, circuitos impressos, ou PCBEles são outro tipo de circuitos eletrônicos que são impressos em placas maiores.

As diferenças mais notáveis ​​são:

Circuitos impressos : são constituídos por uma placa que possui um padrão de linhas condutoras, como trilhos de cobre para ligar os diferentes componentes inseridos (capacitores, transistores, resistores, microchips, ...), soldados por solda de estanho, além de um dielétrico material (substrato) que separa as camadas de interconexões de conexão. Eles também normalmente têm orifícios de passagem, ou vias, para componentes de montagem não em superfície (SMD). Por outro lado, costumam ter uma legenda, uma série de marcas, letras e números para identificar os componentes e facilitar a manutenção. Para proteger o cobre, que se oxida facilmente, costumam ter um tratamento de superfície. E, ao contrário dos circuitos integrados, eles podem ser reparados, substituindo componentes danificados ou restaurando interconexões.

: são constituídos por uma placa que possui um padrão de linhas condutoras, como trilhos de cobre para ligar os diferentes componentes inseridos (capacitores, transistores, resistores, microchips, ...), soldados por solda de estanho, além de um dielétrico material (substrato) que separa as camadas de interconexões de conexão. Eles também normalmente têm orifícios de passagem, ou vias, para componentes de montagem não em superfície (SMD). Por outro lado, costumam ter uma legenda, uma série de marcas, letras e números para identificar os componentes e facilitar a manutenção. Para proteger o cobre, que se oxida facilmente, costumam ter um tratamento de superfície. E, ao contrário dos circuitos integrados, eles podem ser reparados, substituindo componentes danificados ou restaurando interconexões. Circuitos integradosEles são muito pequenos em tamanho, estado sólido e têm baixo custo de produção em massa. Ao contrário de um PCB, estes não podem ser reparados, pois seus componentes e conexões são tão extremamente pequenos que é impossível.

Nem os circuitos integrados são substitutos dos circuitos impressos nem vice-versa. Ambos têm seus usos e na maioria dos casos andam juntos em aplicações práticas...

Circuitos integrados mais populares

Finalmente, há uma infinidade de circuitos integrados muito populares funcionários para projetos de eletrônica, como os de portas lógicas. Eles são baratos e podem ser facilmente encontrados em lojas como Amazon ou eletrônicos especializados. Por exemplo, aqui estão alguns dos mais populares:

¿O que é circuito integrado?

Circuito , originado do latim circuitus , é um conceito com diversos usos e significados. O termo permite referir-se ao percurso em curva fechada, ao percurso que termina no ponto de partida ou ao terreno situado dentro de um perímetro.

Integrado , por sua vez, vem do verbo integrar (completar um todo com as partes que faltam, fazer algo se tornar parte de um todo, constituir um todo).

Em eletrônica , um circuito integrado é uma combinação de elementos de um circuito que são miniaturizados e que fazem parte do mesmo chip ou suporte . A noção, portanto, também é usada como sinônimo de chip ou microchip .

O circuito integrado é feito de um material semicondutor , no qual os circuitos eletrônicos são fabricados por fotolitografia. Estes circuitos, que ocupam alguns milímetros, são protegidos por um encapsulamento com condutores metálicos que permitem estabelecer a ligação entre o referido chip de material semicondutor e o circuito impresso.

Existem vários tipos de circuitos integrados. Entre os mais avançados e populares estão os microprocessadores , usados ​​para controlar tudo, desde computadores a telefones celulares e eletrodomésticos .

Os circuitos integrados podem ser classificados de várias maneiras. É possível falar em circuitos monolíticos (feitos de um único cristal, geralmente de silício), circuitos híbridos de filme fino (com componentes que excedem a tecnologia monolítica) e circuitos híbridos de filme espesso (sem cápsulas, com resistores depositados por serigrafia e corte a laser).

Outra classificação é feita de acordo com o número de componentes e o nível de integração. Os circuitos integrados, neste caso, são conhecidos pela sigla em inglês: SSI ( Small Scale Integration ), MSI ( Medium Scale Integration ), etc.

História do circuito integrado

Muitos dispositivos microeletrônicos interagindo, especialmente transistores e diodos, sem negligenciar componentes passivos como capacitores e resistores, aproveitam a tecnologia de circuito integrado, cuja história remonta ao final dos anos 1950, quando um engenheiro chamado Jack St. Clair Kilby desenvolveu o primeiro protótipo para o Empresa Texas Instruments.

Até então, os equipamentos eletrônicos consistiam em tubos de vácuo (também chamados de válvulas eletrônicas ou termiônicas, entre outros de seus nomes), um componente usado para comutar, modificar ou amplificar um sinal elétrico controlando o movimento dos elétrons com o auxílio de determinados gases ou em um espaço com baixíssima pressão. No entanto, graças ao trabalho de Kilby, os componentes ativos e passivos começaram a se localizar na mesma superfície metálica cujas dimensões eram dezenas de vezes menores do que as de um único tubo de vácuo.

O primeiro IC desenvolvido por Kilby foi construído em um chip quadrado de germânio; Cada lado media 6 milímetros e era composto de um capacitor, três resistores e um transistor . A estreia foi um sucesso total, permitindo a este engenheiro revolucionário continuar pesquisando e aprimorando sua invenção. Vale ressaltar que o nome “chip” deriva do termo homônimo em inglês usado para se referir a chips, entre outras coisas.

Pero el paso de tubos al vacío a semiconductores no fue una casualidad, sino que se apoyó en una serie de experimentos que demostraron la utilidad de estos últimos para reemplazar a los primeros en cuanto a funcionalidad se refiere, ocupando una fracción de su tamaño. Este gran avance, que hace parecer la realidad que lo precede propia de un absurdo, cobró fuerza en poco tiempo, gracias a que los circuitos integrados comenzaron a producirse en masa y el mundo pudo comprobar que además de su evidente ventaja con respecto a las válvulas, eran fiables y fáciles de complejizar.

Al día de hoy, encontramos esta tecnología en los microprocesadores de dispositivos tan dispares como ordenadores y teléfonos móviles, y también en memorias digitales, las cuales utilizan un chip en lugar de partes mecánicas.

Circuito integrado: a invenção que revolucionou o mundo de forma "silenciosa e mágica"

© DR

Por Sara de Melo Rocha com Carolina Rico 06 Fevereiro, 2019 • 12:29 Partilhar este artigo Facebook

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Já se questionou como funciona o telemóvel, tablet ou computador onde está a ler esta notícia? Por detrás de todas as tecnologias que hoje fazem parte do quotidiano está uma peça-chave que nasceu há 60 anos.

O "elemento básico" do mundo da eletrónica chama-se circuito integrado e foi patenteado pela Texas Instruments no dia 6 de fevereiro de 1959.

É uma invenção que mudou a vida das pessoas "de forma silenciosa e mágica", considera Marcelino Bicho dos Santos, professor de Microeletrónica no Instituto Superior Técnico. "Revolucionou o mundo em que vivemos de forma quase impercetível".

Marcelino Bicho dos Santos explica como funciona um circuito integrado. 00:00 00:00

"É mágico porque está escondido, mas presente em quase todos os objetos à nossa volta." Até escolher um tom especifico de tinta usada para pintar uma parede é possível, e fácil, graças aos circuitos integrados.

Jack Kilby foi o responsável pela invenção e patente do primeiro circuito integrado. Conta a Texas Instruments que, enquanto quase todos os funcionários estavam de férias, em junho de 1958, o engenheiro norte-americano começava a trabalhar nos primeiros esboços da sua invenção.

Protótipo do microchip da Texas Instruments Inc. usado pata construir o circuito integrado de Jack Kilby © Brendan McDermid/Reuters

Em setembro do mesmo ano provou a sua funcionalidade e, no início do ano seguinte, neste dia há 60 anos, patenteou o que descreveu como "um corpo de material semicondutor em que todos os componentes do circuito eletrónico estão completamente integrados."